相位控制时频传递系统

基于同轴介质的亚纳秒级相位同步 | 一主多从星型拓扑 | 完全国产化

🎯 典型应用场景

本系统为以下场景提供皮秒级相位同步能力

🛸 深空探测
天线组阵、VLBI、深空测控
🔭 大口径天文望远镜
多天线相干合成
📡 分布式雷达
多站相参、波束合成
⏱️ 时频计量
异地站间频率比对、相位校准

📊 核心指标（站间同步，同轴1000米）

以下数据基于主从站实测 | 设计裕量 ≥50%

相位同步精度
<50ps
✓ 优于指标 <100ps，裕量>50%
峰峰值，1000次测量
PPS / 10MHz 相位抖动
<3ps
✓ 优于指标 <10ps，裕量>70%
RMS，置信度99%
频率稳定度 @1s
≤7E-13
✓ 优于指标 <3E-12
阿伦方差
频率稳定度 @100s
≤5.5E-14
✓ 优于指标 <1E-13
双级控制消除长期漂移

📋 详细技术规格表

参数项 指标要求 实测/设计值 裕量
相位同步精度 <100ps ≤50ps >50%
PPS相位抖动 <10ps ≤2.8ps >70%
10MHz相位抖动 <10ps ≤2.6ps >70%
频率稳定度 @1s <3E-12 ≤7E-13 >75%
频率稳定度 @10s <5E-13 ≤2.2E-13 >55%
频率稳定度 @100s <1E-13 ≤5.5E-14 >45%
频率准确度 @1s <1E-11 ≤2.1E-12 >80%
相位噪声 @1Hz <-95dBc/Hz ≤-105dBc/Hz 充裕
相位噪声 @10Hz <-130dBc/Hz ≤-135dBc/Hz 充裕
PPS脉冲宽度/电平 100ms / 3.3V±0.3V 可编程 / 设计保证 —

📐 误差预算表（相位同步精度）

误差源 贡献量(ps RMS) 备注
时延测量误差 1.8 TDC插值+算法滤波后
链路不对称性残余误差 28.9 ±50ps折算RMS
频率源漂移累积误差 0 双级自动控制消除
总合成误差 ≈30ps 裕量>50%

🔬 三项关键技术详解

高精度时间同步协议 · 高精度时延测量 · 超深量纲双级自动控制

📡 技术一：高精度时间同步协议（HATS）

本系统采用自主研发的高精度时间同步协议，针对同轴介质的物理特性专门设计，从根本上解决了现有时频同步协议在同轴电缆场景下的精度瓶颈。

与主流协议的对比分析

对比维度 PTP White Rabbit B码 SYNC-E HATS
设计介质 以太网 光纤 同轴线 以太网PHY 同轴电缆
同步精度 数十ns~亚μs <1ns ~1μs 仅频率同步 <50ps
鉴相速率 1~128Hz 1kHz 1Hz 连续 5kHz
时戳位置 MII接口 FPGA SerDes 上升沿 物理层 FPGA直驱
硬件复杂度 需PTP交换机 专用WR交换机 简单 需SyncE交换机 低（BNC直连）
国产化 核心IP受限 无国产方案 简单 依赖PHY 完全自主

HATS协议技术参数

帧周期
100μs
鉴相速率
5kHz（比B码高5000倍）
单帧比特数
1000比特
时戳参考点
第1比特上升沿
粗计时分辨率
10ns
精细插值分辨率
1.9ps
传输机制
时分复用
链路测量速率
≥5000次/秒

⏱️ 技术二：高精度时延测量

采用“FPGA粗计数 + TDC精细插值”两级测量架构，配合国产TDC芯片MS1022，实现单次测量分辨率优于19ps、等效测量精度1.9ps的时延测量能力。

MS1022 TDC芯片技术参数

芯片型号
MS1022（瑞盟科技）
测量模式
四精度模式
单次测量噪声
19ps RMS
等效测量精度
1.9ps
测量范围
500ns ~ 4ms
工作温度
-40℃ ~ +125℃

✅ MS1022选型优势： 国产芯片，供应链安全；与TDC-GP21完全对标，管脚兼容可直接替换；采购成本显著低于进口方案。

🧩 技术三：超深量纲双级自动控制

传统锁相环的局限

本振固有的频率漂移率导致累积相位差随时间呈二次函数增长。闭环后锁相环受限于环路滤波器的有限直流增益，无法将相位差完全消除至零，稳态相位误差随温度和时间漂移。

双级控制架构

🔹 第一级：锁相环
控制对象：瞬时相位差
时间常数：~1s / 带宽：0.1Hz
功能：抑制链路快变扰动、短稳噪声
🔸 第二级：锁相位积分环
控制对象：相位差累积量
时间常数：~200s
功能：消除本振漂移率引入的长期相位累积误差

控制理论本质

系统类型 对相位斜坡响应 对频率斜坡响应
传统锁相环（I型） 稳态误差 = 0 稳态误差 ≠ 0
双级控制（II型） 稳态误差 = 0 稳态误差 = 0
✅ 性能验证结果： 稳态相位残差 < ±3ps，入锁时间约30分钟（平滑无过冲），锁定后相位残差均值趋近于零。

工程实现要点

  • 频域解耦：快环(1s)与慢环(200s)时间常数拉开2个数量级，避免耦合震荡
  • 积分器抗饱和：输出超出门限时暂停积分更新，防止错误数据污染
  • 异常工况保护：链路中断时第二级环路自动暂停更新，保持当前控制量
  • 本振漂移在线辨识：通过长期观测值反推漂移率，动态修正频率控制字

三项技术协同架构

📡
HATS协议
5kHz鉴相速率

→
⏱️
高精度时延测量
1.9ps等效精度

→
🧩
双级自动控制
稳态残差<3ps

⬇️ 核心目标：相位同步精度 < 50ps，裕量 > 50% ⬇️

✅ 锁定模式（正常工作）

主从同步，相位精度 <100ps，抖动 <10ps
前面板指示灯：常绿
链路连续跟踪，相位自动补偿

⚠️ 保持模式（链路中断）

从站内置高稳晶振自主守时
前面板指示灯：红灯
链路恢复后自动重锁，相位平滑过渡

🔌 硬件与机械接口

机箱尺寸
2U标准机箱
438×88×355 mm
供电
220VAC（AC-01电源插座）
射频/PPS/同步端口
BNC接口，50Ω
监控/通信接口
DB9 RS232 / ETH
工作温度
-40℃ ~ +70℃
存储温度
-55℃ ~ +85℃

📐 测试验证方法

相位同步精度
FPM320时间间隔测试仪，1000次测量，峰峰值
相位抖动
标准偏差×3（99%置信度）
频率稳定度
低噪声信号分析仪，阿伦方差
相位噪声
低噪声信号分析仪，1Hz~10kHz
📄 主要测试仪器
FPM320多通道时间间隔测试仪、PA312低噪声信号分析仪、DS1102E示波器、DSA815频谱仪

🇨🇳 知识产权与自主可控

📜 基于同轴介质的亚纳秒级时频传递方法（发明专利）
⚙️ 超深量纲双级自动控制的相位同步系统及方法（发明专利）
🕒 基于时分复用的高帧频乒乓时延测量方法（发明专利）
💾 相位控制时频传递系统FPGA嵌入式软件（软著）
✅ 关键器件国产化：MS1022 TDC、安路FPGA、深圳科玛高稳晶振

📦 订货信息

型号 配置 同步精度 典型应用
FCT620 内置恒温晶振、1协议接口（BNC）、1路10MHz输出、1路PPS输出 ＜30ps 标准实验室
FCT620A 内置高稳OCXO、1协议接口（BNC）、1路10MHz输出、1路PPS输出 <3ps 短时守时要求

* 支持定制从站数量、输出路数、接口类型，批量采购请咨询销售团队。

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北京时间频率科技有限公司 | 技术方案版本：V1.1 2026.04
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